CN105141181A - 一种压电-电磁复合式俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种压电-电磁复合式俘能器，涉及环境振动条件下提高输出功率的压电-电磁复合式俘能器，属于新能源和发电技术领域。本发明包括壳体、线圈、上永磁体、压电陶瓷材料、基底梁、锥形永磁体、下永磁体、上电极、压电片、下电极、左压电片上电极引线、右压电片上电极引线。压电俘能部分和电磁俘能部分共用壳体、基底梁、上永磁体、下永磁体、锥形永磁体。本发明具有绿色无污染、能量密度大、可靠性高、环境适应性强、操作控制方便、维护成本低等优点。本发明可克服常规能源工艺兼容性差、能量密度低、线路连接复杂、维护不便等问题。本发明可用于配备日常生活振动环境及石油地下勘探、采矿等恶劣环境下的能源供应，亦可作为应急备用能源。

Description

一种压电-电磁复合式俘能器

技术领域

本发明涉及一种压电-电磁复合式俘能器，特别涉及环境振动条件下提高输出功率的压电-电磁复合式俘能器，属于新能源和发电技术领域。

背景技术

目前，公知的供电元件一般为化学电池。化学电池储能有限，需要定期更换，人力物力成本较高。

公知的测量控制系统都需要外部电源供电，外部电源与传感器之间要通过导线相连，线路繁杂且方便；而且在无电源环境或者极端恶劣环境(如石油钻井钻头定位传感器供能)下，无法使用外部电源供电。

环境中的振动无处不在，是一种绿色能源。通过从环境中获取振动能量，并加以存储进行直接的利用，是解决常规电池能源供应问题的有效措施。对此，国内外学者进行相关自供能技术的研究，其中包括压电俘能器、电磁俘能器等。将压电俘能器与电磁俘能器有机结合，设计的压电-电磁复合式俘能器较为少见，其输出功率较单一压电或电磁俘能器有显著提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可将机械振动能转化为电能储存，并对微电子装置供电的压电-电磁复合式俘能器。本发明公开的一种压电-电磁复合式俘能器，具有绿色无污染、能量密度大、可靠性高、环境适应性强、操作控制方便、维护成本低等优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种压电-电磁复合式俘能器，包括壳体、线圈、上永磁体、压电陶瓷材料、基底梁、锥形永磁体、下永磁体、上电极、压电片、下电极、左压电片上电极引线、右压电片上电极引线。壳体内壁两侧对称分布有线圈，线圈垂直于壳体底面，线圈与壳体固定连接，并使线圈中心与锥形永磁体尖部位置垂直相对，线圈与锥形永磁体尖部位置之间留有间隙。锥形永磁体底部分别对称固定于上永磁体、下永磁体侧面，基底梁中间部分夹于上永磁体、下永磁体之间，基底梁长度方向两侧与壳体垂直固定连接。所述的上永磁铁、下永磁铁及锥形永磁体充磁方向一致，且均沿锥形永磁体轴线方向，并使锥形永磁体轴线垂直于线圈表面。在基底梁上黏贴压电陶瓷材料，并使基底梁与压电陶瓷材料形状相同。所述的压电陶瓷材料主要由上电极、压电片、下电极组成。所述的上电极、压电片形状相同，在电陶瓷材料上的上电极、压电片中间部分留有间隙。压电陶瓷材料均有左压电片上电极引线、右压电片上电极引线引出，分别作为输出电能的正负两极。

所述的压电俘能部分和电磁俘能部分共用壳体、基底梁、上永磁体、下永磁体、锥形永磁体。

所述的压电俘能部分包括压电陶瓷材料、基底梁、上永磁体、下永磁体、锥形永磁体、左压电片上电极引线、右压电片上电极引线。所述的上永磁体、下永磁体和锥形永磁体在电磁俘能部分作为质量块使用。

所述的电磁俘能部分包括线圈、上永磁体、下永磁体、锥形永磁体。上永磁体、下永磁体和锥形永磁体在电磁俘能部分用于产生电磁发电所需磁场。

已有技术中基底梁形状为矩形，为提高压电俘能部分发电量，在上永磁体、下永磁体与壳体之间基底梁矩形部分两侧分别采用三角形镂空。即在上永磁体、下永磁体与壳体之间基底梁形状为两端等宽，中间较窄的对称结构。采用上述形状的基底梁在体积参数不变的条件下能够提高对外输出功率。

本发明公开的一种压电-电磁复合式俘能器水平放置工作效果最优。

本发明公开的一种压电-电磁复合式俘能器包括压电俘能部分和电磁俘能部分。压电-电磁复合式俘能器输出端与整流电桥及储能部分连接，能够将电能储存将电能存储及对外供能。

所述的整流电桥由二极管D1、D2、D3、D4构成，能够将压电-电磁复合式俘能器输出的交流电流变为直流电流。所述的储能部分包括电容C和电阻R。

交变的电流通过二极管D1、D2、D3、D4构成的整流电桥后，变为直流电流，通过电容C将电能存储并对外供能。

本发明公开的一种压电-电磁复合式俘能器的工作过程为：

振动状态下，对于压电俘能部分，壳体上下振动，带动基底梁及压电陶瓷材料上下振动，对于压电结构，由于压电陶瓷材料在振动环境下，压电陶瓷材料表面上电极和下电极会产生相应的正负电荷，每侧振动产生的电荷通过左压电片上电极引线、右压电片上电极引线引出。

对于电磁俘能部分，基底梁上下振动，带动上永磁体、下永磁体及锥形永磁体上下振动，垂直于壳体的上线圈切割磁感线，产生感应电流。

压电-电磁复合式俘能器的压电俘能部分和电磁俘能部分的输出端与整流电桥及储能部分连接，能够将电能储存将电能存储并对外供能。

有益效果：

1、与常规电池相比，本发明公开的一种压电-电磁复合式俘能器具有现有俘能器的所有优点，即：①绿色无污染，能量密度大，可靠性高，环境适应性强。②操作控制方便。不需要定期更换，节约人力物力成本。③特别适用于环境极端恶劣、不便更换电池的环境及能量消耗较小的户外传感器等的能量供应。

2、采用本发明公开的一种压电-电磁复合式俘能器可克服单一压电或电磁俘能器对外输出功率不足的缺点，在体积参数不变的条件下提高对外输出功率。

3、本发明公开的一种压电-电磁复合式俘能器结构简单，维护方便，可解决传统电源需要定期更换等维护不便的问题。

4、本发明公开的一种压电-电磁复合式俘能器，可微型化后与相关电路、传感器集成在一起工作，可避免电池供能体积较大、无法与MEMS工艺兼容、线路连接复杂等问题。本发明基于寻求一种结构简单，能量密度高、输出功率高、环境适应性强的压电-电磁复合式俘能器。本发明可克服常规能源工艺兼容性差、能量密度低、线路连接复杂、维护不便等问题。

5、本发明公开的一种压电-电磁复合式俘能器，可用于配备日常生活振动环境及石油地下勘探、采矿等恶劣环境下的能源供应，亦可作为应急备用能源。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明整体结构正视图；

图3为本发明整体结构俯视图；

图4为本发明电路示意图。

其中，1—壳体、2—线圈、3—上永磁体、4—压电陶瓷材料、5—基底梁、6—锥形永磁体、7—下永磁体、8—上电极、9—压电片、10—下电极、11—左压电片上电极引线、12—右压电片上电极引线。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达到预期目的所采取的技术手段及功效，使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效做如下详细说明。

实施例1

如图1、2、3所示，本实施例公开的一种压电-电磁复合式俘能器，包括壳体1、线圈2、上永磁体3、压电陶瓷材料4、基底梁5、锥形永磁体6、下永磁体7、上电极8、压电片9、下电极10、左压电片上电极引线11、右压电片上电极引线12。壳体1内壁两侧对称分布有线圈2，线圈2垂直于壳体1底面，线圈2与壳体1固定连接，并使线圈2中心与锥形永磁体6尖部位置垂直相对，线圈2与锥形永磁体6尖部位置之间留有间隙。锥形永磁体6底部分别对称固定于上永磁体3、下永磁体7侧面，基底梁5中间部分夹于上永磁体3、下永磁体7之间，基底梁5与壳体1垂直固定连接。所述的上永磁铁3、下永磁铁7及锥形永磁体6充磁方向一致，且均沿锥形永磁体轴线方向，并使锥形永磁体轴线垂直于线圈2表面。在基底梁5上黏贴压电陶瓷材料4，并使基底梁5与压电陶瓷材料4形状相同。所述的压电陶瓷材料4主要由上电极8、压电片9、下电极10组成。所述的上电极8、压电片9形状相同，在电陶瓷材料4上的上电极8、压电片9中间部分留有间隙。压电陶瓷材料4均有左压电片上电极引线11、右压电片上电极引线12引出，分别作为输出电能的正负两极。

所述的压电俘能部分和电磁俘能部分共用壳体1、基底梁5、上永磁体3、下永磁体7、锥形永磁体6。

所述的压电俘能部分包括压电陶瓷材料4、基底梁5、上永磁体3、下永磁体7、锥形永磁体6、左压电片上电极引线11、右压电片上电极引线12。所述的上永磁体3、下永磁体7和锥形永磁体6在电磁俘能部分作为质量块使用。

所述的电磁俘能部分包括线圈2、上永磁体3、下永磁体7、锥形永磁体6。上永磁体3、下永磁体7和锥形永磁体6在电磁俘能部分用于产生电磁发电所需磁场。

已有技术中基底梁5形状为矩形，为提高压电俘能部分发电量，在上永磁体3、下永磁体7与壳体1之间基底梁5矩形部分两侧分别采用三角形镂空。即在上永磁体3、下永磁体7与壳体1之间基底梁5形状为两端等宽，中间较窄的对称结构。采用上述形状的基底梁5在体积参数不变的条件下能够提高对外输出功率。

本实施例公开的一种压电-电磁复合式俘能器水平放置工作效果最优。

本实施例公开的一种压电-电磁复合式俘能器包括压电俘能部分和电磁俘能部分。压电-电磁复合式俘能器输出端与整流电桥及储能部分连接，能够将电能储存并对外供能。

所述的整流电桥由二极管D1、D2、D3、D4构成，能够将压电-电磁复合式俘能器输出的交流电流变为直流电流。所述的储能部分包括电容C和电阻R。

交变的电流通过二极管D1、D2、D3、D4构成的整流电桥后，变为直流电流，通过电容C将电能存储并对外供能。

本发明公开的一种压电-电磁复合式俘能器的工作过程为：

如图1、2、3所示，振动状态下，对于压电俘能部分，壳体1上下振动，带动基底梁5及压电陶瓷材料4上下振动，对于压电结构，由于压电陶瓷材料4在振动环境下，其表面上电极8和下电极10会产生相应的正负电荷，每侧振动产生的电荷通过左压电片上电极引线11、右压电片上电极引线12引出。

对于电磁俘能部分，基底梁5上下振动，带动上永磁体3、下永磁体7及锥形永磁体6上下振动，垂直于壳体1的上线圈2切割磁感线，产生感应电流。

如图4所示，压电-电磁复合式俘能器的压电俘能部分和电磁俘能部分的输出端与整流电桥及储能部分连接，能够将电能储存并对外供能。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：包括壳体(1)、线圈(2)、上永磁体(3)、压电陶瓷材料(4)、基底梁(5)、锥形永磁体(6)、下永磁体(7)、上电极(8)、压电片(9)、下电极(10)、左压电片上电极引线(11)、右压电片上电极引线(12)；壳体(1)内壁两侧对称分布有线圈(2)，线圈(2)垂直于壳体(1)底面，线圈(2)与壳体(1)固定连接，并使线圈(2)中心与锥形永磁体(6)尖部位置垂直相对，线圈(2)与锥形永磁体(6)尖部位置之间留有间隙；锥形永磁体(6)底部分别对称固定于上永磁体(3)、下永磁体(7)侧面，基底梁(5)中间部分夹于上永磁体(3)、下永磁体(7)之间，基底梁(5)长度方向两侧与壳体(1)垂直固定连接；所述的上永磁铁(3)、下永磁铁(7)及锥形永磁体(6)充磁方向一致，且均沿锥形永磁体(6)轴线方向，并使锥形永磁体(6)轴线垂直于线圈(2)表面；在基底梁(5)上黏贴压电陶瓷材料(4)，并使基底梁(5)与压电陶瓷材料(4)形状相同；所述的压电陶瓷材料(4主要由上电极(8)、压电片(9)、下电极(10)组成；所述的上电极(8)、压电片(9)形状相同，在电陶瓷材料(4)上的上电极(8)、压电片(9)中间部分留有间隙；压电陶瓷材料(4)均有左压电片上电极引线(11)、右压电片上电极引线(12)引出，分别作为输出电能的正负两极；

所述的压电俘能部分和电磁俘能部分共用壳体(1)、基底梁(5)、上永磁体(3)、下永磁体(7)、锥形永磁体(6)；

所述的压电俘能部分包括压电陶瓷材料(4)、基底梁(5)、上永磁体(3)、下永磁体(7)、锥形永磁体(6)、左压电片上电极引线(11)、右压电片上电极引线(12)；所述的上永磁体(3)、下永磁体(7)和锥形永磁体(6)在电磁俘能部分作为质量块使用；

所述的电磁俘能部分包括线圈(2)、上永磁体(3)、下永磁体(7)、锥形永磁体(6)；上永磁体(3)、下永磁体(7)和锥形永磁体(6)在电磁俘能部分用于产生电磁发电所需磁场。

2.根据权利要求1所述的一种压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：在上永磁体(3)、下永磁体(7)与壳体(1)之间基底梁(5)矩形部分两侧分别采用三角形镂空；即在上永磁体(3)、下永磁体(7)与壳体(1)之间基底梁(5)形状为两端等宽，中间较窄的对称结构。

3.根据权利要求1或2所述的一种压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：所述的一种压电-电磁复合式俘能器水平放置工作效果最优。

4.根据权利要求1或2所述的一种压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：所述的一种压电-电磁复合式俘能器输出端与整流电桥及储能部分连接，能够将电能储存将并对外供能。

5.根据权利要求4所述的一种压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：所述的整流电桥由二极管D1、D2、D3、D4构成，能够将压电-电磁复合式俘能器输出的交流电流变为直流电流；所述的储能部分包括电容C和电阻R；

交变的电流通过二极管D1、D2、D3、D4构成的整流电桥后，变为直流电流，通过电容C将电能存储并对外供能。

6.根据权利要求1或2所述的一种压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：结构简单，维护方便，能够解决传统电源需要定期更换等维护不便的问题。

7.根据权利要求1或2所述的一种压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：微型化后与相关电路、传感器集成在一起工作，能够避免电池供能体积较大、无法与MEMS工艺兼容、线路连接复杂等问题。

8.根据权利要求1或2所述的一种压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：适用于配备日常生活振动环境及石油地下勘探、采矿等恶劣环境下的能源供应，亦可作为应急备用能源。